《计算机系统原理CCH13-IO system讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机系统原理CCH13-IO system讲解（137页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Chapter 13 I/O Systems I/O硬件 I/O设备、设备控制器、I/O通道、总线系统 I/O控制方式 程序I/O方式、中断驱动方式、DMA方式、I/O通道控 制方式 缓冲技术 缓冲的引入、单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池 I/O软件 I/O系统的目标 提高设备的利用率 尽量提高CPU与I/O设备之间的并行工作程度 主要技术：中断技术、DMA技术、通道技术、缓冲技术。 为用户提供方便、统一的界面 方便，是指用户能独立于具体设备的复杂物理特性之外而方便 地使用设备 统一，是指对不同的设备尽量使用统一的操作方式，例如各种 字符设备用一种I/O操作方式。 I/O系统的组成 计算机系统
2、中，除了需要直接用于I/O和存储信息的 设备外，还需要有相应的设备控制器。 在大、中型计算机系统中，还需有I/O通道，由这些 设备以及相应的总线构成了I/O系统。 A Typical PC Bus Structure I/O系统的结构 对于不同规模的计算机系统，其I/O系统的结构也有 所差异。 通常,I/O系统的结构分成两大类： 微机I/O系统 主机I/O系统 微型机I/O系统 微型机较简单，其I/O系统多采用总线I/O系统结构 总线型I/O系统结构 主机I/O系统 I/O设备较多，在I/O系统中增加一级I/O通道，以代 替CPU与各设备控制器进行通信，实现对它们的控制. 具有通道的I/O系统
3、结构 I/O Devices I/O设备类型繁多，从OS观点看，其性能指标有： 数据传输速率 数据的传输单位 设备共享属性等 I/O Devices 按传输速率分类 ： 低速设备 传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节。属于低速设备的典型 设备有键盘、 鼠标器、语音的输入和输出等设备。 中速设备 传输速率在每秒钟数千个字节至数万个字节。典型的中速设备有行 式打印机、激光打印机等。 高速设备 传输速率在数百K个字节至数十兆字节。 典型的高速设备有磁带机 、磁盘机、光盘机等。 I/O Devices 按信息交换的单位分类 块设备 用于存储信息。 由于信息的存取总是以数据 块为单位，故而得名。 典型
4、的块设备是磁盘，每个盘块 的大小 为 512 B4 KB 。磁盘设备的基本特征是其传 输速率较高,通常每秒钟为几兆位；另一特征是可寻址 , 即对它可随机地读 / 写任一块；此外，磁盘设备的 I/O 常采用DMA 方式。 字符设备 用于数据的输入和输出。 其基本单位是字符 ， 故称为字符设备。 I/O Devices 按设备的共享属性分类 独占设备:在一段时间内只能有一个进程使用的设备， 一般为低速I/O设备（如打印机，磁带等） 共享设备:在一段时间内可有多个进程共同使用的设备 ，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高（如 硬盘） 虚拟设备:在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设 备模拟
5、独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备 称为虚拟设备 Characteristics of I/O Devices I/O设备的物理特性 磁盘、磁带：块设备 终端、键盘、打印机：字符设备 时钟：既不是块设备也不是字符设备 时钟和定时器 提供当前时间，定时器 可编程时钟硬件： 按给定的时间间隔产生中断 时钟软件的任务： 维护日期和时间 防止进程运行时间超过允许限制 对CPU使用进行记帐 处理用户进程提出的时间闹钟系统调用 对系统某些部分提供监视定时器 支持直方图监视和统计信息搜集 Controller 设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信。 每个 I/O 设备通过设备控制
6、器与计算机的数据总线和地址总线相连接。 某些设备（如磁盘设备）有内置的控制器 CPUCPU RAMRAM 设备控制器设备控制器 与设备与设备 地址总线地址总线 数据总线数据总线 ( (总线由单独的线路组成总线由单独的线路组成) ) 设备与控制器之间的接口 在设备与设备控制器之间有一接口。该接口中有三种 类型的信号： 数据信号 控制信号 状态信号 Controller 是一个可编址设备 当它仅控制一个设备时，它只有一个唯一的设备地址 若控制器可连接多个设备时，则应具有多个设备地址 ，使每一个地址对应一个设备 Controller 设备控制器是CPU与I/O设备间的接口，它接收从 CPU发来的命令
7、，并去控制I/O设备工作。 接收和识别命令 数据交换 设备状态的了解和报告 地址识别 数据缓冲 差错控制 Controller 设备控制器处于CPU与设备之间。 设备控制器由以下三部分组成： 设备控制器与CPU的接口 设备控制器与设备的接口 I/O逻辑 I/O通道 I/O 通道位于CPU和设备控制器之间 其目的是使一些原来由CPU处理的I/O任务转由通道 来承担，从而把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来。 I/O通道 定义：通道是独立于CPU的专门负责数据I/O传输工作 的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对I/O 操作进行控制，从而使I/O操作可与CPU并行操作。 通道可以执行通道程
8、序. 目的：建立独立的I/O操作，不仅使数据的传送独立于 CPU，而且使有关对I/O操作的组织、管理及其结束处 理也尽量独立，即把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来 ，提高CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力. I/O通道 字节多路通道 以字节为单位传输信息，含有多个非分配型子通道,可 以分时地执行多个通道程序。 当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后，通道 硬件就控制转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传 送信息。 主要连接以字节为单位的低速I/O设备，如打印机， 终端。 字节多路通道 I/O通道 数组选择通道 以数组方式工作的，即每次传送一批数据，故传送速度很高。 只含有一个分配
9、型子通道,在一段时间内只能执行一个通道程序 ，只允许一台设备进行数据传输 当这台设备数据传输完成后，再选择与通道连接的另一台设备 ，执行它的相应的通道程序 主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备 I/O通道 数组多路通道 结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能 进行分时并行操作的优点。 它先为一台设备执行一条通道指令，然后自动 转接，为另一台设备执行一条通道指令 主要连接高速设备 I/O通道 I/O通道 “瓶颈”问题: 由于通道价格昂贵，致使机器中所设置的通道数量势必较少 ，这又往往使它成为I/O 的瓶颈，造成整个系统吞吐量的下降。 I/O通道 解决“瓶颈”问题的最有效的方法，便是增加设备到主
10、机间的通路，而不增加通道。 如下图所示： Bus 总线的基本概念： 在计算机系统内各种子系统，如CPU、内存、I/O设备 等之间，构建公用的信号或数据传输通道，这种可共享连接 的传输通道称为总线。 总线的分类（非本课程范围） CPU内存总线 I/O总线：数据总线、地址总线、控制总线 总线的发展 ISA总线：（IndustryStandardArchitecture）:为80286微机 设计的总线,带宽为8位,传输速率2Mbps,发展至16位,8M,16M . EISA总线：(ExtendedISA):32位，32Mbps，连接12台外设. 局部总线：将多媒体卡、高速LAN网卡、高性能图形卡等从
11、ISA总 线上摘下来，再通过局部总线直接接到CPU总线上，使之与高速 CPU总线相匹配。而打印机、MODEM、CD-ROM等仍挂在ISA总 线上。常见的局部总线有VESA和PCI。 总线的发展 VESA（VideoElectronicStandardAssociation）:32位， 132MBPS,为486机器设计，能连接的设备数仅为24台，控制 器中无缓冲。 PCI（PeripheralComponentInterface）：能支持10种设备，可 连接ISA、EISA等总线，支持Pentium的64位系统。 SCSI接口技术（Small Computer System Interface）
12、 一个SCSI I/O 设备控制器可将新型高速I/O设备增加到 计算机系统中 SCSI设备控制器的智能化I/O 控制降低了计算机系统的 负担，使计算机系统具有更高的I/O能力 USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，是一种连接I/O串行设 备的技术标准.冲破了计算机技术发展的两个历史局限性： 由于I/O设备的接口标准不一致和有限的接口数量已无法满足 各种应用迫切需要. 传统的I/O设备的接口无法满足实时数据传输与多媒体应用的 需求. USB支持同步数据传输方式和异步数据传输方式，其数据传输率有低 速1.5Mbps和全速12Mbps两种，比标准串口快100倍，比标准并口快
13、 10倍 USB可以主动为外部设备提供电源，允许外部设备快速连接，具有即 插即用的功能, 允许外部设备的热插拔 . 总线的发展 总线系统 I/O控制方式 随着计算机技术的发展，I/O控制方式也在不断地发展 发展宗旨：尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从 I/O控制事务中解脱出来 主要有以下四种I/O控制方式： 程序I/O方式(轮询Polling) 中断驱动I/O DMA控制方式 I/O通道控制方式 程序I/O方式 早期的计算机系统中，无中断机构，处理机对I/O设 备的控制，采取程序I/O方式（Programmed I/O方 式）. 该方式也叫轮询方式(Polling). 程序I/O方式 在
14、进行数据I/O之前先查询设备的状态 已准备好:传送数据 未准备好:继续查询 是否准备好的依据:设备控制器的状态位 Busy=1:未准备好 Busy=0:已准备好 程序I/O方式 实现查询方式输入数据的程序如下: TEST: IN AL, STATUS;读入状态 AND AL, 01H;测试是否准备好 JE TEST;未好，继续测试 IN AL, n;从端口n读入数据 MOV BUFFER, AL;存数据到缓冲区 输出数据的程序如何？ 程序I/O方式 程序I/O方式 特点: CPU与设备串行工作 CPU循环测试浪费大量CPU时间 中断驱动I/O控制方式 在现代计算机系统中，对I/O设备的控制，广
15、泛采用 中断驱动（Interrupt-Driven）方式。 在I/O设备输入/输出每个数据的过程中，无须CPU 干预。 仅当输完一个数据时，才需CPU花费极短的时间去做 些中断处理。 中断驱动I/O控制方式 CPU向设备控制器发出一条I/O命令后，立即返回继 续执行原来的任务。 设备控制器便控制I/O设备进行I/O。 当设备完成了一个字节数据的I/O时，设备控制器产 生一个中断信号。 CPU检测到中断信号后，进行相应的处理工作。 中断驱动I/O控制方式 Interrupt-drive I/O Cycle（中断驱动的I/O周期） 中断驱动I/O控制方式 Intel Pentium Processor Event-Vector Table 中断驱动I/O控制方式 特点： CPU与I/O设备并行工作 仅当输完一个数据时，才需CPU花费极短的时 间去做些中断处理 提高了系统的资源利用率及吞吐量 键盘中断的例子 以PC机为例: 键盘与可编程并行接口芯片82
